(57)【要約】【課題】不必要な欠陥領域を排除することができ、形状の自由度が高く、材料の限定の少ない、対象性の高い周期構造体、該周期構造体の作成方法、及びこれらによる光素子を提供する。【解決手段】積層された複数の誘電体１１０１の少なくとも一つの界面１１０２に、閉領域１１０６が二次元周期的に配列された周期構造体であって、前記閉領域は、前記界面における二つの誘電体の対向面のそれぞれに設けられた周期的な凹凸構造によって構成する。【選択図】            図１１
2006344619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の誘電体の少なくとも一つの界面に、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体であって、
前記閉領域は、前記界面における二つの誘電体の対向面のそれぞれに設けられた周期的な凹凸構造によって構成されていることを特徴とする周期構造体。
【請求項２】
前記対向面のそれぞれに設けられた周期的な凹凸構造は、該凹凸構造の周期が互いに自然数倍異なることを特徴とする請求項１に記載の周期構造体。
【請求項３】
前記対向面のそれぞれに設けられた周期的な凹凸構造は、界面に垂直な方向で空間的に互いに重なりを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の周期構造体。
【請求項４】
前記空間的な重なりにおいて、前記周期的な凹凸構造の相対位置が、一致または異っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の周期構造体。
【請求項５】
前記周期的な凹凸構造に、その周期性を乱す欠陥部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の周期構造体。
【請求項６】
前記複数の誘電体に形成された前記周期性を乱す欠陥部によって、二次元または三次元的な欠陥構造が構成されていることを特徴とする請求項５に記載の周期構造体。
【請求項７】
前記界面の対向面における少なくとも一方の面の周期的な凹凸構造が、曲面形状を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の周期構造体。
【請求項８】
前記曲面形状が、半球形状を含むことを特徴とする請求項７に記載の周期構造体。
【請求項９】
前記界面の対向面における少なくとも一方の面の周期的な凹凸構造が、該面に垂直な方向に該面を貫通していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の周期構造体。
【請求項１０】
前記積層された複数の誘電体は、それぞれ一つの誘電材料により形成され、これら複数の誘電体に複数種類の誘電体材料が使用されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の周期構造体。
【請求項１１】
前記複数の誘電体のうち少なくともひとつが、所定の波長領域の光に対する活性媒質材料、吸収材料、非線形材料、金属材料のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の周期構造体。
【請求項１２】
一方の誘電体薄膜に他方の誘電体薄膜が積層されてなる積層界面に、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体の作成方法であって、
前記一方の誘電体薄膜の片方の面に、半導体形成プロセスによって周期的な凹凸構造を形成する工程と、
前記周期的な凹凸構造が形成された前記誘電体薄膜の上面に、前記他方の誘電体薄膜に加工を施さずに積層し、該積層による界面に閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体を作成する工程と、
を有することを特徴とする周期構造体の作成方法。
【請求項１３】
積層された誘電体の少なくとも一つの界面に、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体の作成方法であって、
前記少なくとも一つの界面をなす二つの誘電体薄膜のそれぞれの一方の面に、半導体形成プロセスによって周期的な凹凸構造を形成する工程と、
前記周期的な凹凸構造が形成された前記誘電体薄膜のそれぞれの面を対向させて積層し、該積層による界面に閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体を作成する工程と、
を有することを特徴とする周期構造体の作成方法。
【請求項１４】
前記周期的な凹凸構造を形成する工程における半導体プロセスが、電子ビーム描画リソグラフィープロセス、塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセス、等のプロセスであることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の周期構造体の作成方法。
【請求項１５】
前記周期的な凹凸構造を形成する工程における半導体プロセスが、半導体露光装置を用いたフォトリソグラフィー、塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセス、等のプロセスであることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の周期構造体の作成方法。
【請求項１６】
前記周期的な凹凸構造を形成する工程における半導体プロセスが、電子線ビームリソグラフィー、フッ硝酸による等方性エッチング、等のプロセスであることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の周期構造体の作成方法。
【請求項１７】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の周期構造体、または請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の周期構造体の作成方法による周期構造体によって構成されていることを特徴とする光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期構造体、該周期構造体の作成方法、及びこれらによる光素子に関し、例えば小型レーザ、フィルター、ミラーなどの小型な光学部品、光デバイス、等に用いられる周期構造体及び該周期構造体の作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次元または三次元の周期構造体はフォトニック結晶などの光デバイスとして様々な構造が提案され、研究されている。
例えば、特許文献１では、表面に周期的な凹凸構造をもつ基板に条件を変えながら異物質を周期的に成膜することにより実現される三次元周期構造体が提案されている。
また、特許文献２では、半導体プロセスにより二次元周期的な角柱構造が形成された膜を積層することによる周期構造体が提案されいる。
さらに、非特許文献１によれば、微小球を自己的に三次元に配列させてその隙間をＳｉで埋めて、その後に微小球部分を取り除くことによりＳｉによりなるインバースオパールと称される三次元フォトニック結晶構造が作成されることが記述されている。
【特許文献１】特開２０００−２５８６４５号公報
【特許文献２】米国特許第５３３５２４０号明細書
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ  Ｖｏｌ．４１４，ｐ２８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１のように、成膜技術で作成される周期構造の要素は形状自由度が低く、積層方向における上下部分での作成誤差が大きく生じる。したがって、所望の欠陥領域を有する周期構造体を作成することも困難となる。
また、上記特許文献２のように角柱構造を積層して作成されるものでは、曲面を有していないため三次元方向の対象性が低くなる。
さらに、上記非特許文献１のように自己的に配列された三次元構造においては、その配列にばらつきが生じ、あるいは不必要な欠陥領域が生じる反面、所望の欠陥領域を形成することが困難であり、また、材料の種類が限定されてしまう、等の問題を有している。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑み、不必要な欠陥領域を排除することができ、形状の自由度が高く、材料の限定の少ない、対象性の高い周期構造体、該周期構造体の作成方法、及びこれらによる光素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下のように構成した周期構造体、該周期構造体の作成方法、及びこれらによる光素子を提供するものである。
すなわち、本発明の周期構造体は、積層された複数の誘電体の少なくとも一つの界面に、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体であって、前記閉領域は、前記界面における二つの誘電体の対向面のそれぞれに設けられた周期的な凹凸構造によって構成されていることを特徴としている。
また、本発明の周期構造体の作成方法は、一方の誘電体薄膜に他方の誘電体薄膜が積層されてなる積層界面に、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体の作成方法であって、前記一方の誘電体薄膜の片方の面に、半導体形成プロセスによって周期的な凹凸構造を形成する工程と、前記周期的な凹凸構造が形成された前記誘電体薄膜の上面に、前記他方の誘電体薄膜に加工を施さずに積層し、該積層による界面に閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体を作成する工程と、を有することを特徴としている。
また、本発明の周期構造体の作成方法は、積層された誘電体の少なくとも一つの界面に、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体の作成方法であって、前記少なくとも一つの界面をなす二つの誘電体薄膜のそれぞれの一方の面に、半導体形成プロセスによって周期的な凹凸構造を形成する工程と、前記周期的な凹凸構造が形成された前記誘電体薄膜のそれぞれの面を対向させて積層し、該積層による界面に閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体を作成する工程と、を有することを特徴としている。
また、本発明の光素子は、上記した周期構造体、または上記した周期構造体の作成方法による周期構造体によって構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、材料の限定が少なく、多種類の半導体材料等を用いることがで、また、形状の自由度が高く、作成誤差の生じ難い周期構造体、該周期構造体の作成方法、及びこれらによる光素子を実現することができる。
また、三次元方向の対象性が高く、不必要な欠陥領域を排除して、所望の欠陥領域を形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、以上の構成により、本発明の上記した課題を達成することができるが、ここで、「二次元周期的に配列された」という意味は、ある二次元の面を考えた場合にその面に平行な面内において、構造要素が周期的に配列されていることを意味する。この際、その周期性は二次元面内に平行な方向に周期的であればよく、一次元の周期性も含む。例えば、薄膜がある二次元の面に平行な面内において一つの軸方向に周期性をなして積層されている場合や、空気中において四角柱の誘電体が一定の間隔をおいて一方向に周期的に配列されてなる場合、等が挙げられる。
具体的には、図３の誘電体３００４のように、細線状の溝３００３を含む凹凸構造３００１が一次元周期的に誘電体３００４の表面に平行な二次元面内で配列されたものがその一例として挙げられる。図３中、３００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
その他の例として、図５の誘電体５００４に設けられた２次元周期的な凹凸構造をなす構造要素は逆ピラミッド状の穴５００３であり、Ｓｉなどの異方性エッチング技術を用いて形成することができる。図５中、５００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
【０００８】
つぎに、二次元周期的に配列されている周期構造の構成例について説明する。
図１に二次元周期的に配列されている周期構造の構成例を示す。
説明を簡素化するため、図１中で紙面に平行な方向を二次元の面とし、この面に平行な方向に空気中で構造要素１０１が周期的に配列されているものとする。
周期構造をなす構造要素１０１を黒丸で表示しているが、構造要素としては、このような形状に限定されるものではなく、円柱や、球、四角柱、など三次元的に様々な形状が挙げられる。
また、一つの周期構造は一つの形状、材料、サイズの構造要素からなるものとは限らず、周期構造をなす構造要素の形状、サイズ、材料などは複数考えられ、二次元周期的に配列されていれば問題ない。二次元周期的に配列されたものの例としては、図１（ａ）のように、構造要素１０１が正方格子状に配列されたもの、図１（ｂ）のように構造要素１０１が斜方格子状に配列されたもの、図１（ｃ）のように構造要素１０１が長方格子状に配列されたもの、図１（ｄ）のように構造要素１０１が三角格子状に配列されたもの、図１（ｅ）のように構造要素１０１がハニカム状に配列されたものなどが挙げられる。
【０００９】
ここで、複数の誘電体が積層された周期構造体の一つ以上の界面のうち、一つの界面をなす互いに対向する誘電体を誘電体ＡとＢとする。
誘電体Ａの二つの面のうち、誘電体Ｂと対向している方の面に二次元周期的な凹凸構造が設けられていることにより、誘電体Ｂの誘電体Ａと対向する方の面の一部は、誘電体Ａの面上の凹凸構造の上部において誘電体Ａと接触しない部分となる。つまり、この部分と誘電体Ａの面上の凹部に囲まれた空間は閉空間となり、凹凸構造が二次元周期性をもって配列されていることから、誘電体Ａと誘電体Ｂの界面領域に二次元周期的な閉空間が実現される。
また、誘電体Ａの面だけではなく、誘電体Ｂの誘電体Ａと対向する方の面にも周期的な凹凸構造を設けることによっても、誘電体Ａと誘電体Ｂの界面に二次元周期的な閉空間を実現することが可能である。
【００１０】
さらに、誘電体Ａ上の誘電体Ｂ上に誘電体Ｃがある構造を考える。誘電体Ｂの誘電体Ｃと対向する方の面、すなわち誘電体Ａと対向する方の面と反対側の面に誘電体Ａの面上に設けられたものと同様の二次元周期的な凹凸構造が設けられていれば、誘電体Ｂと誘電体Ｃとの界面において二次元周期的な閉空間が実現される。
このように誘電体Ａと誘電体Ｂ、誘電体Ｂと誘電体Ｃの界面にそれぞれ二次元周期的な閉空間が形成されたものとなり、積層面に垂直な方向にも閉空間が周期的に配列されていることになる。
同様のことを積層面に垂直な方向にさらに複数の誘電体を用いて繰り返すことにより、三次元周期的な周期構造体を実現することが可能となる。
複数の誘電体を積層した周期構造体の複数の界面に存在する各二次元周期的な閉空間の形状は異なってもよい。
【００１１】
誘電体材料としては、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＮなどの半導体や、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２など様々な材料が使用可能であり、複数の誘電体の材料が全て同一である必要はない。
作成はフォトリソグラフィーや電子ビーム描画リソグラフィー、ドライエッチング、接合技術などを用いた通常の半導体プロセスにより可能となる。
界面に形成される閉空間の周期性としては、三角格子状のもの、四角格子状、六方格子状などの二次元的な周期性や、ダイヤモンド格子状などの三次元的な周期性などが挙げられる。
凹凸形状よりなる閉空間の形状は様々なものが可能で、例えば閉空間の形状を界面に垂直な方向を軸とした円柱としてその周期性を三角格子状にしたり、閉空間の形を直方体にして四角格子状に配列することにより、一つの界面において二次元フォトニック結晶などの機能性をもった周期構造とすることができる。
また、三次元的な積層を行うことにより三次元フォトニック結晶などの機能を与えることもできる。
【００１２】
また、上記した閉空間は、その内部が空気で満たされおり、あるいは真空とされており、さらには閉空間外部と屈折率の異なる誘電体で満たされたものでもよく、本発明の閉空間には、これらによって満たされて閉領域とされているものも含まれる。
さらに、隣り合う閉空間同士は必ずしも、離れている必要はなくそれぞれが空間的に重なりを有していてもよい。つまり本明細書中では閉空間同士がつながっているものも含まれる。例えば、図４の誘電体４００４のように、構造要素が四角柱４００３を含む凹凸構造４００１である場合、凹凸構造の凹部それぞれは二次元面内方向においてつながっていることになり、他の誘電体の凹凸構造を有さない面と張り合わせた場合にも、界面に形成される周期的な閉空間構造は、それぞれ空間的につながった構造となる。
【００１３】
また、具体例として、積層する誘電体として誘電体薄膜を用いて考えると、図２７（ａ）に示される同一種類の誘電体薄膜２７０３が積層された周期構造体２７０１、あるいは図２７（ｂ）に示される円形の複数種類材料からなる誘電体薄膜２７０７、２７０６、２７０５が周期的に積層された周期構造体２７０４が挙げられる。あるいは図２７（ｃ）に示される二種類の誘電体薄膜２７０９、２７１０が積層された周期構造体２７０８、あるいは図２７（ｄ）に示される積層の周期性を乱すように部分的に異なる誘電体薄膜が導入された周期構造体２７１１、など様々なものが挙げられる。
【００１４】
また、本発明の周期構造体には、少なくとも一つの前記界面をなす二つの誘電体の面のうち両方の面に周期的な凹凸構造が設けられ、二つの前記周期的な凹凸構造の周期が互いに自然数倍異なる周期構造体が含まれる。
複数の誘電体が積層された周期構造体の一つ以上の界面のうち、一つの界面をなす互いに対向する誘電体が誘電体ＡとＢとした場合、誘電体ＡとＢの界面において、互いに対向する面それぞれに二次元周期的な凹凸構造を設けておくことにより、界面に周期的な閉空間構造を実現される。例えば、誘電体Ａの面に二次元四角格子状に格子定数ａで凹凸構造が形成されていて、誘電体Ｂの面に二次元四角格子状に格子定数ｂで凹凸構造が形成されている場合を考える。ここで、ｍ、ｎを自然数としてａ＝ｎ×ｂまたはｂ＝ｍ×ａという条件を満たすことにより、誘電体Ａの面に形成された凹凸構造も誘電体Ｂの面に形成された凹凸構造も互いにその周期性を乱されることがないので、周期構造体の周期性が乱されないことが可能となる。
さらに、一つの界面を形成する二つの面両方に周期的な凹凸構造が形成されているので、それぞれの閉空間の形状は、界面に垂直な方向において上下どちらかまたは両方に曲面をもつことが可能となる。この場合上下とは、界面に垂直な二方向の一方を上、他方を下と任意に定義した。
【００１５】
また、本発明の周期構造体には、前記二つの周期的な凹凸構造それぞれのうちの二つ以上の凹凸構造が、界面に垂直な方向で空間的に互いに重なりを有する周期構造体が含まれる。
前述のように複数の誘電体が積層された周期構造体の一つ以上の界面のうち、一つの界面をなす二つの誘電体ＡとＢの両方の面に周期的な凹凸構造が形成されている場合を考える。ここで、界面に垂直な方向において誘電体ＡとＢの周期的な凹凸構造それぞれのうちの、二つ以上の凹凸構造が空間的に重なりを有することにより、凹部を含む領域で形成される閉空間の形状は界面に垂直な方向において、上下両方向に曲面をもつことができる。このような形状の典型的な例としては、球や円柱などが挙げられる。
【００１６】
また、本発明の周期構造体には、前記周期的な凹凸構造に、その周期性を乱す欠陥を形成した周期構造体が含まれる。
構造要素が周期的に並んで形成される周期構造は完全周期性を有しているが、この構造全体の領域に対する少なくとも一つの微小領域の構造を変化させることにより、その領域は全体の周期性を乱す欠陥として存在することになる。フォトニック結晶のような光に対して機能を発現する周期構造体において、欠陥はフォトニックバンド中に欠陥準位を生じせしめ、新たな機能を発現する重要な構造要素となる。特にフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶において欠陥構造は非常に重要な役割を果たすことになる。
本発明においては周期的な閉空間を形成している周期的な凹凸構造の一部に、その周期性を乱すような局所的な構造を付加することにより、閉空間の周期性が乱されるような周期的な閉空間中に欠陥を導入することができる。例えば、一つの界面に存在する周期的な複数の閉空間の形状が半球であるとした場合、一つの半球状の閉空間の半径の大きさを他の閉空間の半径と異なるようにすることにより、周期的な閉空間の周期性を乱すような欠陥を導入することができる。欠陥の構造形状は、必ずしも閉空間である必要はなく、欠陥となる部分の閉空間が存在しないような構造でも可能である。つまり、周期的に並んだ閉空間の配列のある一部の閉空間だけが局所的にない状態である。
【００１７】
つぎに、図１と同様の手法で、図２を用いて周期構造中の欠陥の例について説明する。
図２（ａ）は空気中で紙面に平行な二次元の面において構造要素２０１が正方格子状に配列されたモデルであり、図２（ｂ）は同様に三角格子状に配列されたモデルである。このようなモデルにおいて、たとえば周期配列をなす構造要素のうちある一つの構造要素のサイズが他よりも大きくなった場合の点欠陥２０２、ある構造要素が存在していない点欠陥２０３、面に平行な線上で隣り合う構造要素が存在しない線欠陥２０４、配列の面に平行な局所的な領域で隣り合う複数の構造要素が存在していない欠陥２０６、構造要素の形状が異なる点欠陥２０５、構造要素のサイズが周りの構造要素のサイズより小さい点欠陥２０７などが挙げられ、周期性を乱す局所構造である限り様々な構成が欠陥として考えられる。
【００１８】
また、本発明の周期構造体には、前記凹凸構造が曲面形状を有する周期構造体が含まれる。
本発明の周期的な凹凸構造をなす凹凸構造は基本的には誘電体の面に設けられた局所的な凹構造であり、特にこの凹構造の形状を変化させることで様々な閉空間形状を周期構造体に形成することができる。凹構造の形状としては、例えば二次曲面や、ひょうたん型、円柱型など作成上可能であれば、どのような形状でもよい。例えば、図６に示す誘電体６００４は、円柱形状の空気の穴である円柱空孔６００３を凹部とした凹凸構造６００１が二次元周期的に配列されているものである。図６中、６００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
【００１９】
また、本発明の周期構造体には、前記凹凸構造が半球形状を有する周期構造体が含まれる。
本発明の周期構造体は閉空間が曲面形状を有することが可能なため様々な周期構造が可能となる。特に半球形状を含む凹凸構造のうち凹部が半球形状となっている凹凸構造を対向して重ね合わせることにより、球形状の閉空間を実現することが可能となる。具体例として、一つの界面をなす二つの誘電体の面それぞれに設けられた周期的な凹凸構造が、二次元三角格子状に配列された周期的な半球形状の凹部を有する構成とすることにより、界面に形成される周期的な閉空間は二次元三角格子状に球形状の閉空間が配列したものとなる。特に、このような界面が、積層された複数の誘電体の界面に存在し、またそれぞれの界面にある周期的な閉空間の相対的な位置を界面方向に調整されることにより、球形状の閉空間が三次元に六方細密構造と同様の周期性をもって配列した周期構造体を作成することができる。特に、空気などのように閉空間の内部の屈折率が外部の屈折率よりも小さい場合、特定の波長域の光に対して非常に広いフォトニックバンドギャップを呈し、実現困難であったインバースオパール構造と称される三次元フォトニック結晶を実現することができる。特定の波長域とは、周期構造体の周期や誘電体の屈折率などにより異なる設計値に基づくものである。
【００２０】
具体的な例としては、図７に示す誘電体７００４のように、ＧａＡｓ、ＧａＮやＳｉなどの等方性エッチング技術を用いて、構造要素として半球形状の穴である半球状穴７００３を凹部とした凹凸構造７００１が二次元周期的に配列されたものが挙げられる。両面にこの構造が形成された誘電体を、界面上下の半球同士が重なるように積層していくことにより、インバースオパール構造と呼ばれるフォトニック結晶を実現することができる。
図７中、７００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
【００２１】
また、本発明の周期構造体には、少なくともひとつの前記誘電体の面に設けられた前記周期的な凹凸構造または前記欠陥構造が、面に垂直な方向にその誘電体を貫通している周期構造体が含まれる。
本発明の周期構造体の界面に周期的な閉空間を形成する周期的な凹凸構造および欠陥が、凹凸構造が形成されている誘電体をその面に垂直な方向に貫通するものである場合でも、周期構造体中に欠陥および周期的な閉空間を形成することが可能である。例えば、誘電体Ａに設けられた凹凸構造または欠陥がその誘電体を厚さ方向に貫く円柱からなるものであり、界面に垂直な方向に積層された他の誘電体の凹凸構造とその方向において空間的に重なりを有さないか、他の誘電体の凹凸構造がそれ自体を厚さ方向に貫通しておらず凹凸構造が設けられている面がＡに対向していればよい。前者の場合、閉空間または欠陥は誘電体Ａの内部および隣り合う他の誘電体との界面に存在し、後者の場合、閉空間または欠陥は誘電体Ａを含む複数の誘電体の内部および界面に存在することになる。
さらに、ある誘電体の凹凸構造がそれ自体を貫通するものである場合であっても、必ずしも欠陥がその誘電体を貫通するものである必要はなく、その逆も可能である。特に、欠陥が複数の誘電体を連続して貫通する構成をとれば、二次元方向だけでなく三次元方向に伸びた欠陥を周期構造体に導入することが可能となる。このような構造はフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のような周期構造体において光導波路などの機能を発現するものとなる。
【００２２】
また、本発明の周期構造体には、前記複数の誘電体が複数の誘電材料によりなり、前記複数の誘電体各々は一つの一様な前記誘電材料よりなる周期構造体が含まれる。
本発明の周期構造体は複数の誘電体を用いて形成されているものであるが、これら複数の誘電体の種類に制限はなく、複数種類の誘電体材料が使用可能である。例えば、閉空間よりなる周期構造に加え、二種類の屈折率の異なる誘電体を扱う光の四分の一程度の厚さで積層したものは、それだけで積層方向において多層膜反射鏡として機能する。つまり、本発明の周期構造体は、誘電体の種類の選択および積層順序と閉空間のなす周期構造および欠陥の設計を自由に行うことにより、例えば光に対して様々機能を発現するデバイスを実現することができるものである。
【００２３】
また、本発明の周期構造体には、前記複数の誘電体のうち少なくとも一つが、所定の波長領域の光に対する活性媒質材料、吸収材料、非線形材料、金属材料のいずれかである周期構造体が含まれる。
本発明により、前述の閉空間のもつ周期性を備えた反射鏡のように、多機能な光デバイスなどを実現することができるとともに、複数の誘電体の一つ以上に活性媒質材料、吸収材料、非線形材料、金属材料などを用いることによりさらに広い機能を有する素子を実現することができる。例えば、前述の反射鏡によりある波長域の光に対して利得をもつ活性媒質材料よりなる誘電体を挟み込むことによりレーザーを実現することができる。通常の多層膜反射鏡などと異なり反射鏡の中にさらに閉空間よりなる三次元周期構造を自由に形成することができるため、レーザー光のモードの制御や偏光の制御が可能となり、より特性のよいレーザーを実現することができる。
また、本発明は、前記周期構造体を用いた光素子を提供するものである。
様々な設計による前記周期構造体を用いて光素子を構成することにより、幅広い機能をもつ光素子を実現することができる。
【実施例】
【００２４】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して、従来作成が困難であった積層された誘電体の界面に閉空間が周期的に埋め込まれた構成の二次元の周期構造体を作成した。
図８及び図９に本実施例の二次元の周期構造体の作成例を説明する図を示す。
図８（ａ）はＧａＡｓ基板の全体像を示す図であり、８００１はＧａＡｓ基板、８００２は凹凸構造である。
図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、８００３はその断面、８００４は凹凸構造８００２における円柱空孔で形成された凹部、８００５は凹凸構造が配列された一方の面である。
図８（ｃ）はＧａＡｓ薄膜の全体像を示す図であり、８００６はＧａＡｓ薄膜である。
図８（ｄ）は図８（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、８００７はその断面である。
【００２５】
図８において、ＧａＡｓ基板８００１の一方の面８００５には、凹凸構造８００２が、格子定数１．２マイクロメートルで正方格子状に基板面に平行な面内で二次元周期的に配列されている。その際、凹凸構造８００２における凹部８００４の円柱空孔は、半径約０．５マイクロメートル、軸方向の長さ（深さ）約１マイクロメートルの空気で満たされた円柱構造とされている。
この円柱構造は、基板への電子ビーム描画リソグラフィープロセス、塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセス、等によって作成される。
本実施例では、ＧａＡｓ薄膜８００６の面には何も加工は施されておらず、凹凸構造を有さない。
【００２６】
図９（ｅ）は、周期構造体の全体像を示す図であり、９００１は一方のＧａＡｓ基板８００１と他方のＧａＡｓ薄膜８００６とを積層して構成された周期構造体である。
図９（ｆ）は、  図９（ｅ）のＥ−Ｆ断面を示す図であり、９００２はＧａＡｓ基板８００１とＧａＡｓ薄膜８００６とによる界面、９００３は断面である。
【００２７】
図９において、二つの誘電体であるＧａＡｓ基板８００１とＧａＡｓ薄膜８００６を、ＧａＡｓ基板８００１の周期的凹凸構造が設けられている方の面にＧａＡｓ薄膜８００６の一方の面を対向させて積層することにより、図９に示す周期構造体９００１を作成する。その際、ＧａＡｓ基板８００１とＧａＡｓ薄膜８００６とは、融着法によりその界面９００２で接合される。
【００２８】
周期構造体９００１をなす周期的に配列された閉空間９００４は、図９に示すようにＧａＡｓ基板８００１に設けられた凹凸構造８００２の円柱空孔（凹部）８００４と、ＧａＡｓ薄膜８００６のＧａＡｓ基板８００１との対向面のうちのＧａＡｓ基板８００１と接触していない部分とにより形成される。
本実施例により、従来実現困難であった誘電体中に周期的閉空間が埋め込まれた構成の二次元周期構造体を、容易に作成することができる。
【００２９】
［実施例２］
実施例２においては、本発明を適用して、二つの誘電体の上下に凹凸構造を備えた二次元の周期構造体を構成した。
図１０、図１１に本実施例における二次元周期構造体の構成例を示す。
図１０（ａ）はＧａＮ薄膜の全体像を示す図であり、１００１はＧａＮ薄膜、１００２は凹凸構造である。
図１０（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、１００３は凹凸構造１００２における円柱空孔で形成された凹部、１００４はその断面、１００５は凹凸構造が配列された一方の面である。
【００３０】
図１０において、ＧａＮ薄膜１００１の一方の面には円柱空孔１００３が凹凸構造の凹部となった凹凸構造１００２が、薄膜の面に平行に二次元周期的に三角格子状に配列されている。
この円柱空孔１００３は、ステッパー（半導体露光装置）を用いたフォトリソグラフィーと塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセス、等によって作成される。
【００３１】
図１１（ａ）は、周期構造体の全体像を示す図であり、１１０３は図１０のようにして作成された二次元周期的構造のＧａＮ薄膜１００１と同じ構成のもう一つのＧａＮ薄膜１１０１とを積層して構成された周期構造体である。
図１１（ｂ）は、  図１１（ａ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、１１０２は積層されたＧａＮ薄膜１１０１による界面、１１０４は断面である。
図１１（ｃ）は、別の構成例による図１１（ａ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、１１０２は積層されたＧａＮ薄膜１１０１による界面、１１０５は断面である。
【００３２】
図１１において、図１１（ａ）のようにＧａＮ薄膜１００１とＧａＮ薄膜１１０１を、周期的な凹凸構造が設けられた面が対向するように積層することにより、周期構造体１１０３を実現することができる。
ここで、ＧａＮ薄膜１００１とＧａＮ薄膜１１０１には同様の周期的凹凸構造が設けられているが、積層したときに両ＧａＮ薄膜の各々の凹凸構造が周期構造体１１０３の面に垂直な方向において重なりを有さないようにした例が図１１（ｂ）、重なりを有するようにした例が図１１（ｃ）である。
【００３３】
図１１（ｂ）のように積層した場合には周期構造体中に設けられる周期的な閉空間構造１１０６の形状は円柱空孔１００３と同様な形状となる。
これに対して、図１１（ｃ）のように積層した場合には、閉空間１１０７の形状は、両ＧａＮ薄膜１００１と１１０１の両面に設けられた凹凸構造の相対的な位置関係により様々な形状が実現される。特に、周期構造体１１０３の面に平行な面内での相対位置が一致する場合には、円柱空孔となる。
本実施例によれば、同様な周期的凹凸構造が設けられた誘電体の組み合わせを考慮することにより、様々な形状からなる周期的な凹凸構造を有する周期構造体を実現することができる。
【００３４】
［実施例３］
実施例３においては、本発明を適用して、二つの誘電体の上下に凹凸構造を備えた実施例２とは異なる二次元の周期構造体を構成した。
図１２、図１３に本実施例における二次元周期構造体の構成例を示す。
図１２（ａ）は一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、１２０１はＳｉ薄膜、１２０２は凹凸構造である。
図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、１２０３は凹凸構造１００２における半球状穴で形成された凹部、１２０４はその断面、１２０５は凹凸構造が配列された一方の面である。
図１２（ｃ）は他方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、１２０６はＳｉ薄膜、１２０７は凹凸構造である。
図１２（ｄ）は図１２（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、１２０８は凹凸構造１２０７における円柱空孔で形成された凹部、１２０９はその断面である。
【００３５】
図１２において、Ｓｉ薄膜１２０１と１２０６とは、どちらもＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の厚さおよそ５００ナノメートルのＳＯＩ層（基板最上部のＳｉ薄膜層）を用いた薄膜で形成されている。Ｓｉ薄膜１２０１の一方の面には、半径およそ２００ナノメートルの半球状穴１２０３が、格子定数およそ１２００ナノメートルで面１２０５に平行に二次元周期的に三角格子状に配列された二次元周期的な凹凸構造１２０２がが設けられている。この半球状穴１２０３は電子ビーム描画リソグラフィーとフッ硝酸（主にフッ酸と硝酸を用いたエッチャント）による等方性エッチング、等によって作成される。
【００３６】
また、Ｓｉ薄膜１２０６の一方の面には、半径およそ２００ナノメートルの円柱形状の円柱空孔１２０８が格子定数およそ６００ナノメートルで面１２１０に平行に二次元周期的に三角格子状に配列された二次元周期的な凹凸構造１２０７が設けられている。この柱空孔１２０８は、電子線ビームリソグラフィーとフッ硝酸（主にフッ酸と硝酸を用いたエッチャント）による等方性エッチング、等によって作成される。
ここで、Ｓｉ薄膜１２０１の格子定数は、Ｓｉ薄膜１２０６の格子定数の２倍となっている。
【００３７】
図１３（ｅ）は、周期構造体の全体像を示す図であり、１３０１は図１２（ａ）のＳｉ薄膜１２０１と図１２（ｂ）のＳｉ薄膜１２０６とを積層して構成された周期構造体である。
図１３（ｆ）は、図１３（ｅ）のＥ−Ｆ断面を示す図であり、１３０２は積層されたＳｉ薄膜１２０１と１２０６による界面、１３０３は閉空間、１３０４は断面である。
図１３（ｇ）は、別の構成例による図１３（ｅ）のＥ−Ｆ断面を示す図であり、１３０２は積層されたＳｉ薄膜１２０１と１２０６による界面、１３０５は閉空間、１３０７は断面である。
【００３８】
図１３において、周期構造体１３０１は、上記二つのＳｉ薄膜１２０１と１２０６とを、その凹凸構造１２０２および１２０７が互いに対向するように張り合わせることにより構成される。
本実施例の図１３（ｆ）、（ｇ）の構成例では、一方Ｓｉ薄膜１２０１に設けられた凹凸構造１２０２の全てが、他方のＳｉ薄膜１２０６の凹凸構造１２０７のいずれかと、面に垂直な方向において重なりを有するように構成されている。
ここで、図１３（ｆ）には面に平行な方向においてＳｉ薄膜１２０１の凹凸構造１２０２が、Ｓｉ薄膜１２０６の凹凸構造１２０７のいずれかと、相対位置が一致する場合の構成例が示されており、図１３（ｇ）には相対位置がずれている場合の構成例が示されている。
【００３９】
このような構成例において、格子定数が大きい方のＳｉ薄膜１２０１に設けられた凹凸構造（半球状穴）と、格子定数が小さい方のＳｉ薄膜１２０６に設けられた凹凸構造（円柱空孔）とによって、一つのタイプの閉空間１３０５、１３０８を形成することができる。
また、格子定数が大きい方のＳｉ薄膜１２０１の面と、格子定数が小さい方のＳｉ薄膜１２０６に設けられた凹凸構造（円柱空孔）とによって、もう一つのタイプの閉空間１３０３、１３０６を形成することができる。
本実施例によれば、このような二つのタイプの閉空間を形成することが可能となる。
【００４０】
このように本実施例においては、周期構造体１３０１をなす周期的な閉空間の形状は二つのタイプとなっているが、両周期構造の重ねあわせ方により様々な閉空間の形状を実現することができる。特に、格子定数が大きいほうの周期的な凹凸構造を有する閉空間は、周期構造体のもつ基本的な周期性の中において周期的欠陥として機能させることが可能である。
【００４１】
［実施例４］
実施例４においては、本発明を適用して、三次元の周期構造体を構成した。
図１４、図１５、図１６に本実施例における三次元周期構造体の構成例を示す。図１４においては、構造を分かりやすく示すために、それぞれの構成部の断面部分が示されており、１４０１はＧａＮ基板、１４０５，１４１０，１４１５はＧａＮ薄膜である。
図１６において、１６０１は周期構造体であり、図１４のＧａＮ基板１４０１上にＧａＮ薄膜１４０５、１４１０および１４１５を周期的に積層して形成されている。
【００４２】
ＧａＮ基板１４０１の二つの面のうち薄膜が積層される一方の面には、半球状の穴である半球状穴１４０２が、二次元周期的に三角格子状に配列された周期凹凸構造１（１４０３）が設けられている。
また、このような周期凹凸構造１と同様の周期凹凸構造が、ＧａＮ薄膜１４０５、１４１０、１４１５の両面に設けられている、すなわち、これらのＧａＮ薄膜の両面には、半球状の穴である半球状穴１４０８、１４１３、１４１８が二次元周期的に三角格子状に配列された周期凹凸構造２〜７（１４０６、１４０７、１４１１、１４１２、１４１６、１４１７）が設けられている。
【００４３】
これらの周期凹凸構造１〜７は、電子ビーム描画リソグラフィーおよび塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセスを用いて作成される。
積層方法としては、周期凹凸構造１である１４０３と周期凹凸構造２である１４０６、周期凹凸構造３である１４０７と周期凹凸構造４である１４１１、周期凹凸構造５である１４１２と周期凹凸構造６である１４１６がそれぞれ対向するように積層して行く。それぞれのＧａＮ薄膜の二つの面に設けられた凹凸構造は互いに面に平行な面方向において相対的な位置がずらされて設けられており、上述のように積層した場合に、図１５に示すように閉空間が形成されるように配置されている。
【００４４】
図１５では、周期凹凸構造１である１４０３と周期凹凸構造２である１４０６により形成される閉空間を１５０１として、各閉空間の位置関係を模式的に表している。同様に、周期凹凸構造３である１４０７と周期凹凸構造４である１４１１により形成される閉空間を１５０２、周期凹凸構造５である１４１２と周期凹凸構造６である１４１６により形成される閉空間を１５０３として、各閉空間の位置関係を模式的に表している。
ここで、閉空間１５０１に対し、面内において閉空間１５０２が三つの閉空間１５０１の中央に位置するようにし、面内において閉空間１５０３を三つの閉空間１５０２の中央に位置するようにするが、閉空間１５０３と閉空間１５０１が紙面垂直方向において重ならないように、ＧａＮ基板１４０１、および各ＧａＮ薄膜１４０５、１４１０、１４１５を積層する。
【００４５】
以上の構成により、本実施例における周期構造体１６０１の１周期分が実現されるが、本実施例はこれらを３周期分積層して構成される。
ここで、２周期目以降は、上記した方法と同様の方法で積層を繰り返すが、２周期目以降の閉空間１５０１はその前の積層による閉空間１５０１に面に垂直な方向に重なるようにして構成される。また、２周期目以降の閉空間１５０２はその前の積層による閉空間１５０２に面に垂直な方向に重なり、２周期目以降の閉空間１５０３はその前の積層による閉空間１５０３に面に垂直な方向に重なるようにして構成される。
【００４６】
このようにして実現される周期構造体１６０１は、その閉空間が空気で満たされたもので、インバースオパールと称されるフォトニック結晶が実現される。
この構造は非常に広いフォトニックバンドギャップを有する三次元のフォトニック結晶であるが、従来作成が非常に困難でごく一部の材料において低精度のものが実現されている程度であった。
これに対して、本実施例の周期構造体１６０１では、従来の半導体プロセスなどを用いて比較的容易に高精度にインバースオパール型のフォトニック結晶を実現することが可能となる。
【００４７】
本実施例のインバースオパール型のフォトニック結晶の特性例として、その透過率スペクトルを図２６に示す。この透過率スペクトルは、格子定数ａ、半径０．２ａ、誘電体の誘電率１２、閉空間の誘電率１、周期数４、光の入射方向を積層方向に平行とした場合の透過率スペクトルである。
図２６において、ωは光の角周波数、ａは格子定数、ｃは光速としており、実線はＴＥ偏光に対応するもの、点線はＴＭ偏光に対応するものである。
【００４８】
［実施例５］
実施例５においては、実施例４の周期構造体の一部に周期性を乱す欠陥を導入した三次元の周期構造体を構成した。
図１７に本実施例における三次元周期構造体の構成例を示す。
図１７において、１７０１は周期構造体、１７０２は周期構造体の一部に導入された欠陥である。
これは、前述した図１６に示された周期構造体１６０１を構成する、図１４に示す複数のＧａＮ薄膜１４０１、１４０５、１４１０、１４１５のうち中央付近の二つのＧａＮ薄膜を、図１８に示すＧａＮ薄膜に代えることによって、上記した周期構造体１７０１を実現するようにしたものである。
【００４９】
これを更に具体的に説明すると、図１８（ａ）はＧａＮ薄膜の全体像を示す図であり、１８０１はＧａＮ薄膜、１８０２は欠陥、１８０３は凹凸構造である。図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、１８０４は凹凸構造が配列された一方の面、１８０５はその断面、１８０６は凹凸構造１８０３における半球状穴で形成された凹部である。
ここで、ＧａＮ薄膜１８０１は実施例４におけるＧａＮ薄膜と同様にその両面に相対的に位置がずらされた半球状穴１８０６が、二次元周期的に三角格子状に配列された凹凸構造１８０３が設けられている。その一方の面の一部の半球状穴が取り除かれて欠陥１８０２が形成された構造となっている。
このＧａＮ薄膜１８０１の二枚を、上記した欠陥１８０２が互いに対向して重なり合うように張り合わせて、図１６に示されたような周期構造体１６０１に組み込むことにより、図１７に示すその二次元周期性を乱す欠陥１７０２が導入された周期構造体１７０１を実現することができる。
【００５０】
このような欠陥は点欠陥と称され、たとえば周期構造体がフォトニックバンドギャップを有する場合、フォトニックバンドギャップ中に欠陥準位を生じさせ、欠陥準位に相当する波長の光を周期構造対中の欠陥部分に非常に強く閉じ込めることが可能となる。このことにより、非常にＱ値の高い微小共振器などを可能にする。本実施例の周期構造体により、非常に困難であった三次元周期構造中の点欠陥を容易に精度よく実現することが可能となる。
【００５１】
［実施例６］
実施例６においては、実施例４及び実施例５の周期構造体の一部の構成を代え、線状の欠陥を導入した三次元の周期構造体を構成した。
図１９に本実施例における三次元周期構造体の構成例を示す。
図１９において、１９０１は周期構造体、１９０２は周期構造体の一部に導入された線状の欠陥、１９０３はＳＯＩ基板である。
本実施例の周期構造体１９０１は、積層する基本的な誘電体としては実施例４における周期凹凸構造を有するＧａＮ薄膜と同様の構造のＳｉ薄膜を複数積層して形成されている。このように、その基本的構造は、実施例４及び実施例５と同様であるが、本実施例ではその材料としてＳＯＩ基板のＳＯＩ層部分をＳｉ薄膜として実施例４及び実施例５におけるＧａＮ薄膜に代えている。
【００５２】
図２０（ａ）は一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、２００１はＳｉ薄膜、２００３は欠陥、２００４は凹凸構造である。
図２０（ｂ）は図２０（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、２００５は凹凸構造が配列された一方の面、２００６はその断面、２００７は凹凸構造２００４における半球状穴で形成された凹部である。
図２０（ｃ）はもう一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、２００２はＳｉ薄膜、２００８は貫通孔欠陥、２００９は凹凸構造、２０１０は凹凸構造２００９における半球状穴で形成された凹部である。
図２０（ｄ）は図２０（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、２０１１はその断面である。
【００５３】
ここで、一方のＳｉ薄膜２００１には、両面に二次元周期的に三角格子状に半球状穴２００７が配列した凹凸構造２００４が設けられており、その一部に欠陥２００３が形成されている。
また、もう一方のＳｉ薄膜２００２にも、両面に二次元周期的に三角格子状に半球状穴２０１０が配列した凹凸構造２００９が設けられており、その一部に貫通孔欠陥２００８が形成されている。
線状の欠陥１９０２を形成するため、一部に欠陥２００３を有するＳｉ薄膜２００１と、一部に貫通孔欠陥２００８を有するＳｉ薄膜２００２をそれぞれの欠陥部分が互いに重なるように、かつ線状の欠陥１９０２を形成するように積層する。このようにして積層体により形成された欠陥１９０２を周期構造体１９０１に導入する。
【００５４】
周期構造体１９０１がフォトニックバンドギャップを有する場合、実施例５と同様に、フォトニックバンドギャップ中に欠陥準位が生じ、欠陥準位に相当する波長の光を欠陥部分に非常に強く閉じ込めることが可能となる。
このような欠陥は三次元光回路などにおいて、伝送効率の非常に高い三次元光導波路として機能させることが可能である。
また、活性材料を用いればレーザ共振器としても機能させることが可能である。
【００５５】
［実施例７］
実施例７においては、本発明を適用して、三次元の周期構造体による光励起型のレーザを構成した。
図２１、図２２に本実施例における三次元の周期構造体を用いたレーザの構成例を示す。
図２１において、２１０１は周期構造体、２１０２はＧａＮ基板、２１０３及び２１０４、２１０５は閉空間である。２２０１はＧａＮ薄膜、２２０６はＩｎＧａＮ薄膜（活性層）である。
図２２（ａ）は一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、２００１はＧａＮ薄膜、２２０３は凹凸構造である。
図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、２２０２は凹凸構造が配列された一方の面、２２０４は凹凸構造２２０３における半球状穴で形成された凹部、２２０５はその断面である。
図２２（ｃ）はもう一方のＩｎＧａＮ薄膜の全体像を示す図であり、２２０６はＩｎＧａＮ薄膜、２２０７は凹凸構造、２２１０は凹凸構造２２０７における円柱空孔で形成された凹部である。
図２２（ｄ）は図２２（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、２２０９はその断面である。
【００５６】
本実施例においては、実施例４、実施例５、実施例６等と同様に、半球状穴を配列された二次元周期的な凹凸構造２２０３を有するＧａＮ基板２１０２と、ＧａＮ薄膜２２０１を積層する。これによりフォトニックバンドギャップを有するインバースオパール型のフォトニック結晶を形成する。その際、面に垂直な方向での中央付近に活性材料よりなるＩｎＧａＮ薄膜２２０６を挟み込んだ構造とされている。
活性媒質ＩｎＧａＮよりなるＩｎＧａＮ薄膜２２０６、円柱空孔２２１０が二次元周期的に三角格子状に配列された周期的な凹凸構造２２０７が設けられており、二次元スラブフォトニック結晶としての機能を有する。
【００５７】
図２５に、本実施例によるインバースオパール型のフォトニック結晶の結晶中で励起される光、活性材料の発光スペクトル、等のそれぞれの関係を模式的に示す。
図２５において、２５０１は本実施例のインバースオパール型のフォトニック結晶中での光の存在確立、２５０２は活性材料の発光スペクトル、２５０３はフォトニックバンドギャップ中においてＩｎＧａＮ薄膜中での光の存在確立を示している。
インバースオパール型のフォトニック結晶中では活性材料の発光スペクトル中の光は存在することができないが、ＩｎＧａＮ薄膜２２０６およびその近傍においては存在が許されるため、発光する光はこの領域に非常に強く閉じ込められる。例えばＧａＮ基板２１０２の裏側から紫外波長のレーザを入射することにより、活性層２２０６付近においてレーザ発振が起こすことができる。
【００５８】
［実施例８］
実施例８においては、実施例７における光励起型のレーザとは異なる、三次元周期構造体による電流注入型のレーザを構成した。
図２３に本実施例における三次元の周期構造体を用いたレーザの構成例を示す。図２３において、２３０１は本実施例の電流注入型レーザを表す周期構造体である。この周期構造体は、周期的半球状穴を有するｎ−ＧａＮ基板２３０７とｎ−ＧａＮ薄膜２３０６の積層によるインバースオパール型のフォトニック結晶を形成し、その上に活性層２３０５としてＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸を有する薄膜を形成する。さらに、上部に周期凹凸構造を有するｐ−ＧａＮ薄膜２３０４の積層によりインバースオパール型のフォトニック結晶を形成して構成される。
本実施例においては、それぞれのインバースオパール型のフォトニック結晶を、ｎ型反射鏡２３１１およびｐ型反射鏡２３１２と定義する。
最上部にはホール注入のためのリング状電極２３０３が設けられ、その中央部はレーザ光の放射窓２３０２として機能する。
また、最下部には電子注入のための電極２３０８が設けられている。
活性層２３０５の上下には光の共振領域であるクラッド層としてｎ−ＧａＮ薄膜２３０９、およびｐ−ＧａＮ薄膜２３１０が設けられている。
活性層２３０５で発光する光は、両反射鏡２３１１と２３１２には存在できないため反射され、二つのクラッド層２３０９、２３１０と活性層２３０５を含む領域に共振器が形成される。
【００５９】
図２４に活性層２３０５の模式図を示す。活性層２３０５には円柱空孔２４０１が四角格子状に配列された二次元フォトニック結晶が設けられている。活性材料から発光する光の波長はこのフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ中の波長に相当するため、この光はこのフォトニック結晶中に存在することができないように設計されている。しかしながら、点線で示した円２４０３の内側の領域には欠陥２４０２が周期的に配列された周期欠陥が設けられており、この二次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に欠陥準位を生じる。このため、発光した光のうち欠陥準位に相当する波長の光だけの存在が許容されることになる。
【００６０】
また、欠陥は二次元に周期的に設けられているため、それぞれの欠陥における光のモードが結合し、レーザ発振が起こる場合には、点線２４０３の内側の領域全体で位相のそろった状態となる。
本実施例の周期構造体２３０１である電流注入型レーザにおいて、光は点線２４０３の内側の領域およびクラッド層２３０９、２３１０のみに閉じ込められて、効率よくレーザ発振することになる。
このように本実施例のような構成をとることにより、高効率な電流注入面発光型レーザの実現が可能となる。
以上に説明したように、本発明の周期構造体は、小型レーザ、フィルター、ミラーなど幅広い小型な光学部品、光デバイス等において、現状製品の特性や作成精度などを大きく向上させるものとして利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態における二次元周期構造の例を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態における二次元周期構造中の欠陥の構成の例を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における二次元周期構造体を構成するための誘電体の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における二次元周期構造体を構成するための誘電体の例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における二次元周期構造体を構成するための誘電体の例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における二次元周期構造体を構成するための誘電体の例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における二次元周期構造体を構成するための誘電体の例を示す図である。
【図８】本発明の実施例１における二次元周期構造体の作成例を説明する図である。
【図９】本発明の実施例１における二次元周期構造体の作成例を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例２における二次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１１】本発明の実施例２における二次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１２】本発明の実施例３における二次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１３】本発明の実施例３における二次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１４】本発明の実施例４における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１５】本発明の実施例４における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１６】本発明の実施例４における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１７】本発明の実施例５における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１８】本発明の実施例５における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図１９】本発明の実施例６における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図２０】本発明の実施例６における三次元周期構造体の構成例を説明する図である。
【図２１】本発明の実施例７における三次元の周期構造体による光励起型レーザの構成例を説明する図である。
【図２２】本発明の実施例７における三次元の周期構造体による光励起型レーザの構成例を説明する図である。
【図２３】本発明の実施例８における三次元周期構造体による電流注入型レーザの構成例を説明する図である。
【図２４】本発明の実施例８の三次元周期構造体による電流注入型レーザにおける活性層の模式図である。
【図２５】本発明の実施例７におけるインバースオパール型のフォトニック結晶の結晶中で励起される光、活性材料の発光スペクトル、等のそれぞれの関係を模式的に示す図である。
【図２６】本発明の実施例４の三次元の周期構造体によるフォトニック結晶の透過率スペクトルの例を表す図である。
【図２７】本発明の実施の形態における誘電体の積層方法の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０１：構造要素
２０１：構造要素
２０２：点欠陥
２０３：点欠陥
２０４：線欠陥
２０５：点欠陥
２０６：欠陥
２０７：点欠陥
３００１：凹凸構造
３００２：断面
３００３：細線状溝
３００４：誘電体
４００１：凹凸構造
４００３：四角柱
４００４：誘電体
５００１：凹凸構造
５００２：断面
５００３：逆ピラミッド状穴
５００４：誘電体
６００１：凹凸構造
６００２：断面
６００３：円柱空孔（凹部）
６００４：誘電体
７００１：凹凸構造
７００２：断面
７００３：半球状穴
７００４：誘電体
８００１：ＧａＡｓ基板
８００２：凹凸構造
８００３：断面
８００４：円柱空孔（凹部）
８００５：面
８００６：ＧａＡｓ薄膜
８００７：断面
９００１：周期構造体
９００２：界面
９００３：断面
９００４：閉空間（円柱空孔または凹部）
１００１：ＧａＮ薄膜
１００２：凹凸構造
１００３：円柱空孔（凹部）
１００４：断面
１００５：面
１１０１：ＧａＮ薄膜
１１０２：界面
１１０３:周期構造体
１１０４：断面
１１０５：断面
１１０６：閉空間（円柱空孔または凹部）
１１０７：閉空間（円柱空孔または凹部）
１２０１：Ｓｉ薄膜
１２０２：凹凸構造
１２０３：半球状穴
１２０４：断面
１２０５：面
１２０６：Ｓｉ薄膜
１２０７：凹凸構造
１２０８：円柱空孔（凹部）
１２０９：断面
１２１０：面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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